Title: Agent-based Decentralised Architecture for Integrated Process Planning and Scheduling of Transport and Production Processes
Other Titles: Agentenbasierte dezentrale Architektur für integriertes Process Planning und Scheduling von Transport- und Produktionsprozessen
Authors: Gehlhoff, Felix 
Language: eng
Keywords: Scheduling;Process Planning;Multi-agent System;Decentralised Architecture;Integrated Process Planning and Scheduling;Information Model
Subject (DDC): 620 Ingenieurwissenschaften
Issue Date: Oct-2023
Publisher: Helmut-Schmidt-Universität / Universität der Bundeswehr Hamburg
Document Type: Thesis
Publisher Place: Hamburg
Abstract: 
Unternehmen stehen im heutigen globalisierten Markt vor großen Herausforderungen. Die zunehmende Komplexität innerhalb von Produktion und Lieferketten sowie die Notwendigkeit, individualisierte Produkte innerhalb kurzer Zeit zu entwickeln, bringen traditionelle Organisationsformen der Produktion an ihre Gren-zen. Zusätzlich werden die Märkte zunehmend volatil und unsicher, was zu vermehrten Disruptionen und sich verändernder Marktbedingungen aufgrund institutioneller Vorgaben und Kundenpräferenzen führt. Es besteht also ein großer Bedarf nach flexiblen und robusten Organisations- und Steuerungskonzepten, um auf diese Herausforderungen zu reagieren. Industrie 4.0 als neues Produktionsparadigma postuliert die automatisierte und dezentrale Entscheidungsfindung von Produkten und Ressourcen innerhalb der Produk-tion. Dabei entscheiden Produkte und Ressourcen selbstständig, auf Basis digitaler Modelle und Vernet-zung, über die Zuteilung und Bearbeitung der Aufträge und reagieren dabei auch lokal auf Störungen. In-dustrie 4.0 bietet einen Referenzrahmen, um diesen Herausforderungen mittels Digitalisierung und compu-tergestützten Entwicklungen zu begegnen. Digitale Vernetzung von Produkten und Ressourcen ermöglicht die Bildung flexibler Produktionsnetzwerke, die innerhalb eines Unternehmens oder zwischen verschiede-nen Unternehmen entstehen können. Diese Netzwerke können aus einer Vielzahl von Entitäten bestehen, was die Bedeutung der Dezentralität zur Vermeidung von Kommunikationsengpässen, Single-Points-of-Failures und langer Rechenzeiten zentraler Algorithmen noch verstärkt.
Da diese Flexibilität innerhalb der Produktion häufig nicht durch starre Förder- und unflexible Steuerungs-systeme abgebildet werden kann, entsteht der Bedarf, die Ressourcen flexibel zu verbinden und zu steuern und gleichzeitig die Skalierbarkeit des Steuerungssystems sicherzustellen. Transportmittel wie Brückenkrä-ne oder Verbünde autonomer mobiler Roboter ermöglichen den flexiblen Transport großer Werkstücke, welche für diese Arbeit aufgrund industrieller Anforderungen der Domänen Luftfahrt und Windenergie von besonderer Relevanz sind. Es besteht die Notwendigkeit, Prozesspläne zu erstellen, die die Flexibilität einer dezentral koordinierten Produktion nutzen können. Zudem müssen die Aufgaben dieser Transport – und Produktionsressourcen integriert geplant werden, um unnötige Stillstandszeiten und Verspätungen zu ver-meiden. Die Prozess- und Ablaufpläne müssen auch Handhabungskompatibilitäten, knappe Pufferungsmög-lichkeiten sowie die Aufrechterhaltung der Planstabilität berücksichtigen.
In dieser Arbeit wird ein integrierter Prozess- und Ablaufplanungsansatz für Produktions- und Transportres-sourcen entwickelt. Er umfasst eine skalierbare Architektur sowie entsprechende Algorithmen, welche auf den dezentralen Entitäten ausgeführt werden. Die integrierte Planung und Skalierbarkeit wird durch eine Architektur erreicht, die ein skalierbares Kommunikationsprotokoll und das erforderliche Informationsmo-dell für die Prozess- und Terminplanung bereitstellt. Innerhalb dieser Architektur werden geeignete Algo-rithmen zur Ableitung flexibler Prozesspläne auf Basis eines schnittstellenorientierten Modellierungsansat-zes und zur integrierten Ablaufplanung der verschiedenen Ressourcentypen entwickelt. Darüber hinaus bindet der Ansatz, basierend auf der Abschätzung der Dauer von Störungen, dynamische Ereignisse in die Umplanung mit ein und stellt einen Ansatz zur Kollisionsvermeidung gemeinsam genutzter Ressourcen be-reit. Der Ansatz wird in verschiedenen industriellen Fallstudien validiert und hinsichtlich der Skalierbarkeit, der Ausführungszeit und der Möglichkeit gleichzeitiger Auftragsallokation bewertet. Die Kommunikation skaliert linear und die Koordination eines Auftrages schließt innerhalb weniger hundert Millisekunden ab.

Manufacturing companies face different challenges like rising complexity of their manufacturing operations, the need to quickly develop and produce individualised products, and disruptions of traditional production systems due to changing market conditions, institutional rules, and customer preferences. Thus, there is a significant need for flexible and robust organization and control approaches to cope with these new realities. Industry 4.0 proclaims the automated and decentralised decision-making of products and resources based on digitalization, referring to the automated coordination of job allocation and exe-cution. The decentralised coordination of products and resources also enables the local reaction to dis-turbances on the shop floor and within supply chains. Industry 4.0 provides a reference framework to uti-lize digitalization and computational developments to face these new challenges. Digitalization of products and resources enables the formation of flexible networks within and across companies. These networks can be composed of a large number of participants, which emphasises the need for a decentralised system to avoid communication bottlenecks, single-points-of-failures and long execution times of central algo-rithms.
As traditional, rigid conveyor systems and inflexible control systems cannot provide the required degree of flexibility, the need arises to flexibly connect and control these resources while maintaining the scalability of the control system. Transportation resources like overhead cranes or groups of Autonomous Mobile Robots enable the flexible transportation, even for large workpieces. The latter are of special importance to this thesis due to the industrial requirements from the domains of aircraft production and wind turbine blade production. The need arises to compose process plans that can utilize the flexibility of decentralised production systems. Furthermore, the scheduling of transportation and further auxiliary resources in an integrated manner with the production resources becomes necessary to avoid unnecessary delays and idle times. The process plans and schedules also need to incorporate logistics requirements such as handling compatibilities, scarce buffering possibilities as well as the need to maintain schedule stability.
This work develops a process planning and scheduling approach that integrates the production, transportation and further shared resources within a scalable architecture and provides the required algorithms that are executed on decentralised entities. This is achieved by an architecture that provides a scalable communication protocol and the required information model. Within this architecture, suitable algorithms are developed to derive flexible process plans based on an interface-oriented modelling approach as well as for integrated scheduling of the different resource types. Furthermore, dynamic events are incorporated within rescheduling, based on the estimation of the duration of disturbances as well as a dedicated approach for collision avoidance within shared physical spaces.
The approach is validated within different industrial case studies and further evaluated regarding the scalability, execution time and concurrency. It exhibits a linearly scaling communication behaviour and the coordination of orders is executed within hundreds of milliseconds. Concurrent negotiaton is possible but negatively influences the execution time.
Organization Units (connected with the publication): Automatisierungstechnik 
Advisor: Fay, Alexander 
Referee: Vogel-Heuser, Birgit
Grantor: HSU Hamburg
Type of thesis: PhD Thesis
Exam date: 2023-10-13
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